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                                      高強度螺栓緊固原理及應用介紹
                                      更新時間:2019-01-02

                                        高強度螺栓的發展

                                        鉚栓的應用歷史相當悠久,一直到1950年代仍被廣泛使用,但鉚栓施工時需先將鉚栓加熱至火紅(約900℃),再由熟練工人將鉚栓移放到鉚栓安裝工人準備好的錐形接筒中,然后再由技術工人進行打擊錐形筒使鉚頭成型。

                                        鉚栓施工過程不僅危險且專業技工人員難覓,施工時又會產生打擊噪音,又因鉚栓之強度及夾緊效率較差,施工品質控制困難。近年來由于焊接技術急速進步及高強度螺栓生產使用,鉚栓目前因其本身局限已甚少使用被高強度螺栓完全取代。

                                        國內鉚栓使用的后期最后代表物為民國六十二年塑料企業捐建的林口體育館圓形屋頂框架結構(現為國立體育學院)。

                                        常用螺栓分為普通螺栓和高強度螺栓兩種,普通螺栓又稱為機械螺栓(common bolts或machine bolts),依據ASTM A307的規定生產,一般使用于與耐震設計無關的輕型結構物、次要結構物,或暫時固定用途(例如工藝梁),且不得使用于承受反復載荷、振動或者疲勞載重之結構物之中,安裝時螺栓擰緊至緊貼狀態即可。

                                        高強度螺栓則用于主要的結構物,應大部分設計者了解高強度螺栓與普通螺栓價差不大、可用普通螺栓處又不是很多,因此為避免施工者安裝錯誤和誤用,而全面采用高強度螺栓。本文針對高強度螺栓應用重點介紹。

                                       

                                        高強度螺栓規格

                                        國內常用的高強度螺栓分為 ASTM 及 JIS 規格。通常用的 ASTM 高強度螺栓有 A325 及 A490 兩種,具體使用情況如表一所示。

                                        表一  ASTM 高強度螺栓通用情況

                                        A325 螺栓主要成分為 TYPE1 及 TYPE3 兩種,TYPE1 為一般結構用,如需要時可以熱浸鍍鋅,耐候鋼材應配合使用TYPE3螺栓,采用 TYPE3 螺栓時設計圖上應特別標明,A325 螺栓的機械性如表二所示。

                                        表二  ASTM高強度螺栓機械性能

                                        A490 螺栓的材料強度比 A325 高,但是 A490 螺栓不可熱浸鍍鋅。A490 螺栓分為 3 種 TYPE 同樣耐候鋼材配合使用 TYPE3 型螺栓。A325 及 A490 螺栓標準直徑以英尺為單位,以 1/8 英尺為單位增量,且皆介于 1 英尺至 1.5 英尺之間,以 1 英尺左右的直徑較常用。

                                        有些特殊的情況,所需螺栓直徑超過 1.5,此時可采用 A490 螺栓。A490 螺栓使用情況如表一所示,材料強度如表二所示。ASTM 高強度螺栓的螺頭及螺帽皆為六角形頭,其中螺帽必須為重型六角形螺帽。

                                        JIS 規格的高強度螺栓分為六角螺栓頭的 F 系列以及為減輕材料用量及美觀需求而發展之圓螺栓頭之 S 系列(見圖一),圓螺栓頭在安裝后拆卸較困難。

                                        圖一  JIS F10T圓頭型扭矩控制高強度螺栓

                                        材料強度不同,F系列又分為 F8t、F10t 及 F11t 三種,s系列則分成 s8t 及 s10t 二種,其中 F11t 材質因品質較不易控制,僅部分制造商有制造生產資質,其材料強度如表三所示。

                                        表三  JIS 高強度螺栓材料強度

                                        JIS 螺栓直徑以 mm 為單位,一般常用的直徑規格在 12mm 至 24mm 之間。有過去的熱浸鍍鋅經驗可知,高強度螺栓在熱浸鍍鋅前處理酸洗過程中會吸收氫氧,因此會產生延遲破壞現象,延遲破壞就是高強度螺栓緊固一段時間后發生突然斷裂現象,這是因為金屬結晶內蓄含的氫氧壓力過大的結果。

                                        延遲破壞在 F10t 以上之高強度螺栓才會發生,F8t 以下不會發生,故摩擦結合所使用的熱浸鍍鋅高強度螺栓只能用 F8t 以下。

                                        因為中國土木水利工程學會所編著的《熱浸鍍鋅鋼橋設計施工手冊》明確標明建筑使用 F8t 螺栓、F10 螺帽、F35 的華司組合及鍍鋅試驗片的疲勞強度約比黑漆母材低 12kgf/mm2,因此對熱浸鍍鋅的高強度螺母 F8t 應視情況考慮酌增螺栓用量。

                                       

                                        高強度螺栓的標識

                                        螺栓的外觀如圖二所示,螺栓在螺栓頭會標識其種類,如圖三及四所示,以方便使用及施工管理。

                                        圖二  螺栓外觀及尺寸

                                        圖三  ASTM 高強度螺栓之標示

                                        圖四  JIS 高強度螺栓之標示

                                        螺栓需配合螺帽及墊圈使用,螺栓、螺帽加上墊圈組成螺栓組,表四及表五分別為 ASTM 及 JIS 高強度螺栓組的組合。耐候鋼材應該配合耐候型螺栓、螺帽及墊圈使用。

                                        表四  ASTM 高強度螺栓組

                                        注:螺帽除A563-B外,其余皆為重型六角形螺栓。

                                        表五  JIS 高強度螺栓組    

                                        另外墊圈可以避免螺栓或螺帽鎖緊過程因旋轉而傷及鋼板,亦可分散螺栓頂部壓力過于集中,此外,將墊圈在旋轉端(螺栓頭端或螺帽端)可以降低旋轉面的摩擦力。

                                       

                                        高強度螺栓長度及螺牙的確定

                                        一般只需指定螺栓標準直徑 d 及螺栓長度 L,螺栓所需長度為夾距(鎖緊物厚度)與 L1(螺帽厚度加上墊圈厚度及螺栓突變長度)之和,如圖五及圖六所示。

                                        螺栓安裝所需的長度 1 螺牙長度在鋼結構設計規范及施工規范中并未規定,若采用長度太短則無法使用,太長則因螺牙長度不夠而導致螺帽緊固時將會卡在螺牙頭處而無法夾緊鋼板,或突出太長會影響美觀及其他件安裝的干涉。

                                        在 2000 PCSC 對高強度螺栓安裝所需長度定義為經妥善安裝完成之后螺栓長度(自螺栓頭部內側面至尾端間距),一般情況下 L1 大約等于 1.5d 加墊圈厚度;或螺帽厚加墊圈厚度加 2 至 3 個螺牙距離之總長度,至于螺牙長度,市面上螺栓所提供的螺牙長度與螺栓的長度無關,相同直徑,不同長度的螺栓及其螺牙長度為固定值見圖六。

                                        若所采購的螺栓長度太長,則會因為螺牙長度不足而導致螺帽緊固時會將鋼板無法夾緊。所以為了使高強度螺栓鎖緊時有足夠的預緊力,具有足夠的螺牙長度是必要的先決條件。

                                       

                                        螺栓軸拉力-軸向變形曲線

                                        螺栓緊固過程會先鎖到緊貼狀態,所謂的緊貼狀態就是使用專用的扳手擰螺栓數圈是結合面貼合之緊固狀態。緊密狀態下的螺栓內已經承受了部分預拉力。

                                        圖八為螺栓自貼緊情況開始,螺栓之軸拉軸向變形的曲線關系,橫坐標為螺帽旋轉圈數,等同于軸向變形,縱坐標為螺栓拉力,曲線至緊貼狀態開始呈線性關系,然后在螺牙處會先屈服,曲線進入非線性階段,緊接著螺牙處產生頸縮而強度開始下降,最后螺牙處斷裂。

                                        圖八  螺栓之軸拉力-軸向變形關系曲線

                                        螺栓受拉力時,臨界斷面發生在螺牙處,螺牙的最大拉力強度為材料抗拉強度與漲緊力面As的乘積。其中,=0.75 至 0.79Abn = 每公分螺牙數 d=螺栓標準直徑Ab=螺栓標準斷面積(cm2)=πd/4 材料的屈服發生在螺牙的凹痕處,螺牙的屈服會發生在局限在局部區域,而螺栓的軸向拉變形的關系曲線并沒明確的在那個時間點,螺栓在螺牙出屈服時的載重為 proof load,等于螺栓材料的屈服強度與張力面積的乘積,A325 螺栓的 proof load 約為自身抗拉強度的 70%,A490 螺栓的 proof load 約為自身抗拉強度的 80%。

                                        所以高強度螺栓在安裝時需要加一預緊力 Tb,此預緊力為螺栓抗拉強度80%表八為 A325 與 A490 螺栓最小預緊力,表九為 JIS 螺栓最小預緊力。

                                        A572 螺栓的最小預拉力約等于其 proof load,A490 螺栓最小預緊力也很接近其 proof load,實際施工時預拉力會高出最小預緊力,因此螺栓在施加預緊力時基本上已經屈服。

                                        原則上,在不使用螺栓破壞,且不至使螺栓產生永久塑性變形至易產生松弛前提下,螺栓的預緊力越大越好。

                                        表八  A325 及 A490 螺栓最小預緊力

                                        表九  JIS 螺栓最小預緊力

                                       

                                        螺栓緊固方法

                                        普通螺栓的緊固程度并無明確規定,鎖緊時所施加的力一般只要連接緊密即可。但因鎖緊時未施加拉力,因此容易出現螺帽松弛脫落現象,為防止松脫的方法可用彈簧墊圈或采用雙螺帽的方法由外螺帽將內螺帽壓緊以防止兩螺帽同步旋轉而松弛。

                                        采用雙螺帽時內螺帽需使用重型六角螺帽,外螺帽可采用一般螺帽(見圖九),一般高強度螺栓不論承載型的或者擦阻型因預緊后存在張力,此預緊力引致接觸面正應力可產生抗扭轉摩擦阻力,因而可使螺帽產生不松脫現象,所以不必附加防脫裝置。

                                        圖九

                                        但若是由于特殊用途(例如振動機械或者車體重要結構位置)必須采用特殊夾頭來防止螺帽松動的情況,螺栓的夾頭決定螺栓及螺牙長度或形式,以便用來防止松脫,螺帽夾緊裝置詳細信息見圖十。

                                        圖十    

                                       

                                        結語

                                        高強度螺栓目前在汽車領域使用較為廣泛,主要使用在汽車強度連接及其重要的部位,像汽車的輪轂等位置,為汽車的安全穩定行駛起到無可替代的作用。

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